Đối tƣợng điều khiển trong nhà máy nhiệt điện

2.4.1 Lò hơi - Hệ điều hiển lò hơi 2.4.1.1 Lò hơi

Cấu tạo chung của lò hơi là nhằm thực hiện hai nhiệm vụ chính: một là chuyển hoá năng lƣợng của nhiện liệu thành nhiệt năng của sản phẩm cháy, nghĩa là đốt nhiện liệu thành sản phẩm cháy có nhiệt độ cao. Hai là đƣa nƣớc cấp vào lò, tiếp nhận nhiệt từ sản phẩm cháy, biến thành nƣớc nóng, nƣớc sôi, hơi bão hoà hoặc hơi quá nhiệt có áp suất và nhiệt độ thoả mãn yêu cầu sử dụng. Do đó, cấu tạo của lò hơi gồm các hệ thống chính sau:

 Hệ thống cung cấp và đốt cháy nhiên liệu

 Hệ thống cung cấp không khí và thải sản phẩm cháy

 Hệ thống sản xuất và cấp nƣớc nóng cho quá trình sinh hơi

 Hệ thống đo lƣờng, điều khiển

 Hệ thống an toàn

 Hệ thống lò: Khung lò, tƣờng lò, cách nhiệt,…

2.4.1.2 Hệ điều khiển lò hơi

Công suất phát ra của nhà máy điện không cố định mà có thể thay đổi tuỳ thuộc nhu cầu sử dụng điện. Công suất phát ra phụ thuộc vào lƣu lƣợng hơi đƣa tới tuabin của máy phát, lƣu lƣợng hơi dẫn vào tuabin nhiều thì công suất của máy phát tăng lên và ngƣợc lại. Khi lƣu lƣợng hơi vào nhiều, nhiệt đƣợc truyền theo và sinh công càng nhiều do vậy điện năng sản xuất ra càng lớn. Nhƣ vậy khi yêu cầu về công suất điện phát tăng lên thì tức là lƣu lƣợng hơi đƣa vào tăng lên, để đáp ứng đƣợc nhu cầu của hơi thì nhiên liệu đƣa vào lò phải tăng theo. Đồng thời nƣớc cấp vào bao hơi cũng phải tăng lên để có đƣợc lƣợng hơi yêu cầu.

Lò hơi là một hệ thống có nhiều đầu vào và nhiều đầu ra. Đầu vào của lò hơi bao gồm nhiên liệu, gió và nƣớc cấp. Đầu ra của lò hơi bao gồm hơi nƣớc bão hoà thoát ra từ bao hơi, lƣợng nƣớc thừa đi xuống, lƣợng khói và xỉ từ quá trình cháy. Đầu vào và ra có quan hệ mật thiết với nhau, với mỗi yêu cầu thay đổi đầu ra là công suất máy phát điện thì phải cần điều khiển nhiên liệu vào và các thành phần nƣớc cấp, gió,…

Nhƣ vậy, hệ thống điều khiển lò hơi nhà máy nhiệt điện là một hệ thống điều khiển phức tạp, giám sát và điều khiển hàng trăm tham số. Hệ thống có cấu trúc phức tạp với nhiều mạch vòng điều khiển khác nhau.

`

2.4.2. Bao hơi - Hệ điều hiển bao hơi 2.4.2.1 Bao hơi

Hơi nƣớc chính là đối tƣợng mang nhiệt năng, hơi đƣợc dẫn đến tuabin để sinh công (nhờ sự chuyển hoá năng lƣợng từ nhiệt năng thành cơ năng). Bao hơi là thiết bị gom hơi nƣớc sau đó đƣa đến tuabin.

Nƣớc từ bao hơi đƣợc đƣa xuống quanh lò bởi các ống dẫn (bao hơi đặt phía trên lò, ở vị trí cao nhất). Buồng đốt đƣợc cấu tạo từ các dàn ống sinh hơi, các dàn ống sinh hơi đƣợc đốt nóng trực tiếp bởi ngọn lửa trong lò, nƣớc trong các dàn ống sinh hơi sẽ sôi và sinh hơi. Hỗn hợp hơi nƣớc bốc lên từ các dàn ống sinh hơi tƣờng hai bên lò tập trung vào các ống góp trên hai bên sƣờn trần lò. Từ các ống góp này hỗn hợp hơi nƣớc đi vào bao hơi bằng các đƣờng ống lên. Hơi nƣớc vào bao hơi sẽ qua máy lọc hơi để lọc đi phần nƣớc trong hỗn hợp hơi nƣớc rồi đƣợc đƣa vào bộ quá nhiệt để khử ẩm cho hơi và đảm bảo chất lƣợng hơi trƣớc khi bắn vào tuabin.

2.4.2.2 Hệ thống điều khiển bao hơi

Hơi nƣớc là môi chất truyền năng lƣợng, để đảm bảo hiệu suất biến đổi năng lƣợng đƣợc tốt cần phải quan tâm tới các thông số cơ bản của hơi nƣớc là lƣu lƣợng hơi, nhiệt độ hơi và áp suất sinh hơi.

 Lƣu lƣợng hơi

Lƣu lƣợng hơi là thông số biến đổi theo phụ tải. Lƣu lƣợng hơi dẫn vào tuabin càng nhiều thì công sinh ra càng lớn và công suất máy phát càng tăng lên và ngƣợc lại. Ở mỗi giá trị công suất điện phát ra cần có một lƣu lƣợng hơi tƣơng ứng. Để điều chỉnh lƣu lƣợng hơi phải điều chỉnh nhiên liệu đầu vào cho quá trình cháy trong lò hơi và điều chỉnh van tuabin. Khi điều chỉnh nhiên liệu thì đồng thời tác động lên bộ điều khiển không khí cho phù hợp với chế độ kinh tế nhất. Hệ thống điều chỉnh phụ tải nhiệt nhằm duy trì ổn định sản lƣợng hơi ứng với giá trị yêu cầu.

Tuy nhiên lƣu lƣợng hơi có thể bị thay đổi so với giá trị yêu cầu do nhiều nguyên nhân nhƣ: sự thay đổi độ ẩm và nhiệt trị của nhiên liệu, nhiệt độ nƣớc cấp, cũng nhƣ sự biến động của nhiên liệu, … Những thay đổi đó là tín hiệu tác động trở

lại bộ điều chỉnh nhiên liệu để thay đổi lƣợng nhiên liệu từ đó duy trì lƣợng hơi ổn định theo yêu cầu.

 Nhiệt độ hơi

Nhiệt độ hơi quá nhiệt là thông số quan trọng, thông số này cần đƣợc điều chỉnh giữ ổn định tại mọi giá trị tải. Nhiệt độ hơi đƣợc duy trì ở một giá trị cố định nhằm tiết kiệm năng lƣợng, tránh gây hƣ hại đƣờng ống do dao động về nhiệt và tránh tổn thất nhiệt năng do có sự trao đổi nhiệt giữa hơi và đƣờng ống dẫn hơi. Hơi bão hoà ra khỏi bao hơi có nhiệt độ không ổn định do nhiều nguyên nhân nhƣ sự thay đổi tải lò, sự biến đổi của bề mặt truyền nhiệt,…

 Áp suất hơi

Áp suất hơi cũng là một thông số của hệ điều khiển, với mọi giá trị yêu cầu của tải thì áp suất hơi đƣợc điều chỉnh ở một giá trị ổn định.

Giữa áp suất hơi và lƣu lƣợng hơi có mối quan hệ qua lại với nhau. Khi lƣu lƣợng hơi tăng thì ngay lập tức áp suất hơi sẽ giảm do hơi từ bao hơi chƣa cung cấp kịp cho sự thay đổi của yêu cầu hơi. Vì vậy sự thay đổi của áp suất hơi khi có yêu cầu thay đổi tải lò còn dùng làm tín hiệu tính toán yêu cầu nhiên liệu.

Khi áp suất ổn định chứng tỏ lƣợng hơi tiêu thụ và lƣợng hơi sinh ra cân bằng nhau. Áp suất hơi giảm tức là hơi tiêu thụ nhiều tăng lên nên cần phải tăng thêm nhiêu liệu đê tăng sản lƣợng hơi, còn khi áp suất hơi tăng lên thì quá trình xảy ra ngƣợc lại.

Tóm lại, nhiệt độ, lƣu lƣợng và áp suất hơi quá nhiệt trƣớc khi vào tuabin là các thông số quan trọng của hệ thống điều khiển hơi. Việc tối ƣu hoá các giá trị này nhƣ một giải pháp nâng cao hiệu suất của nhà máy và chất lƣợng điện phát ra.

Hệ thống điều khiển hơi có hai hệ điều khiển đƣợc phân ly: hệ điều khiển nhiệt độ và hệ điều khiển áp suất – lƣu lƣợng.

Hệ điều khiển áp suất v lưu lượng hơi: Đại lƣợng yêu cầu điều khiển ở đây là áp suất hơi phải giữ không đổi với mọi giá trị tải yêu cầu, trong khi đó lƣu lƣợng lại luôn thay đổi phụ thuộc vào công suất tải yêu cầu. Để thực hiện điều khiển đƣợc hai

`

2.4.3 Tua-bin

Hơi sau khi đƣợc sinh ra từ lò thì đƣợc dẫn vào turbine để sinh công , turbine đƣợc nối cứng với máy phát, máy phát có nhiệm vụ chuyển cơ năng thành điện năng. Để giữ tốc độ turbine không đổi thì lƣu lƣợng hơi vào turbine phải thay đổi bằng cách đóng mở các van điều khiển turbine

Hệ thống điều chỉnh turbin có thể là van tiết lƣu đƣợc điều khiển bằng kiểu trƣợt áp. Hệ thống điều chỉnh tuabin bao gồm hai phần sau:

 Phần thuỷ lực

 Bộ điều chỉnh điện tử

Điều khiển tuabin đƣợc đảm nhiệm bởi cặp bộ vi xử lí để phối hợp các thao tác khác nhau trong cấu trúc điều khiển. Các vòng điều khiển và các bộ động lực đƣợc gửi các lệnh tự động. Các giao diện ngƣời máy đƣợc hiển thị các trạng thái cung cấp các thông điệp hƣớng dẫn. Các hiển thị là dạng đồ họa, bảng biểu và dạng văn bản.

2.5 Kết luận

Trong chƣơng này tác giả đã đi tìm hiểu công nghệ sản xuất điện của nhà máy nhiệt điện từ đó đƣa ra các bài toán điều khiển cụ thể nhƣ điều khiển lò hơi, hệ thống điều khiển bao hơi và điều khiển tuabin. Từ đó phục vụ cho việc thiết kế hệ thống và lập trình đƣợc thực hiện trong chƣơng 4 của luận văn.

CHƢƠNG III. CÁC GIẢI PHÁP VỀ THIẾT BỊ TRƢỜNG VÀ

THIẾT BỊ TRUYỀN THÔNG

Công nghệ nhiệt điện là phức tạp với rất nhiều các khâu và công đoạn khác nhau, trong khuôn khổ luận văn này tác giả chọn một công đoạn tiêu biểu trong nhà máy nhiệt điện đó là quá trình sinh hơi và quá trình gia nhiệt cho nƣớc cấp để tiến hành thiết kế hệ thống điều khiển cho chúng.

`

3.1 Mô tả hệ thống

Sơ đồ hệ thống thiết kế đƣợc mô tả trong bản vẽ P&ID kèm theo.

Mục đích hệ thống là mô tả một quá trình trong nhà máy nhiệt điện. Đó là quá trình nhiệt trong bao hơi, quá trình nƣớc cấp cho bao hơi, quá trình kỹ thuật.

Đối với nhà máy nhiệt điện thì hơi sau khi sinh ra khỏi bao hơi là hơi kỹ thuật, hơi này đƣợc đƣa đến tuabin làm qua máy phát. Còn đối với hệ thống mô phỏng này ta dùng hơi ra khỏi bình hơi để gia nhiệt cho nƣớc cấp và bình nƣớc cấp.

Hệ thống bao hơi bao gồm bình chứa nƣớc T1, bình này đƣợc cung cấp nƣớc từ bên ngoài vào hệ thống. Trƣớc khi nƣớc vào bình đƣợc đƣa qua hệ thống lọc thô để loại bỏ các chất rắn có trong nƣớc. Đối với bình chứa có các van xả đáy để xả các chất lắng cặn trong bình.

Nƣớc từ bình chứa T1 đƣợc bơm B01 bơm qua hệ thống gia nhiệt đƣa vào bình T2 là bình nƣớc cấp. Ta sử dụng một bộ biến tần để điều khiển bơm này, bơm này đƣợc điều khiển theo lƣu lƣợng đặt thuật toán PID. Trên đƣờng ống bơm này có một hệ thống lọc Cation, tránh việc lắng đọng trong thiết bị trao đổi nhiệt làm giảm hiệu suất.

Đối với bộ gia nhiệt nứớc cấp, đây là thiết bị trao đổi nhiệt giữa hơi và nƣớc bơm qua, hơi này đƣợc nấy từ bình gom hơi. Để duy trì nƣớc cấp khoảng 950C, ta dùng một bộ điều khiển PID. Thiết bị chấp hành là van, khi nhiệt độ thấp hơn thì van mở nhiều hơn cho hơi qua còn khi nhiệt độ cao thì ngƣợc lại.

Bình T2 là bình chứa nƣớc cấp, trên bình có một thiết bị mức theo phƣơng pháp chênh áp, ngoài ra còn có hai thiết bị báo mức thấp và cao.

Nƣớc từ bình chứa nƣớc cấp đƣợc bơm B02 bơm tới bao hơi, bơm B2 cũng đƣợc điều khiển bằng biến tần theo thuật toán PID.

Khi áp suất bao hơi đạt một ngƣỡng nhất định (áp suất đặt do nguời vận hành) thì van xả CV1 tự động mở theo thuật toán PID.

Hơi đƣợc đƣa vào bình gom hơi và từ đây hơi sẽ đƣợc sử dụng cho bộ gia nhiệt, khi áp suất trong bao hơi quá một áp suất nhất định (áp suất an toàn) van xả CV3 tự động mở theo thuật toán PID để xả ra ngoài.

`

3.2 Giải pháp truyền thông

Hình 3-2. Sơ đồ truyền thông

Để truyền tín hiệu đo từ các từ các cảm biến (điểm đo, quá trình sản xuất) đến nơi mà tín hiệu đo đƣợc ghi lại, hiển thị và đƣợc sử dụng cho hệ thống điều khiển quá trình sản xuất thì cần thiết phải có hệ thống truyền tín hiệu đo. Bởi vì phải truyền qua khoảng cách xa và phụ thuộc vào môi trƣờng truyền dẫn cho nên tín hiệu đo có thể đƣợc chuyển thành tín hiệu điện dạng phù hợp, tín hiệu quang, tín hiệu sóng radio hoặc dạng tín hiệu tƣơng tự và số khác. Một điểm đặc biệt cần phải đề cập đến khi truyền tín hiệu đo đó là sự ảnh hƣởng của nhiễu, đa số các nguồn nhiễu tồn tại trong môi trƣờng công nghiệp nhƣ là trƣờng điện từ phát sinh từ máy điện và cáp điện lực, nhiễu sinh ra do quá trình quá độ trong mạch điện… phƣơng thức truyền tín hiệu đo phổ biến nhƣ: truyền thông tín hiệu đo dƣới dạng dòng điện và điện áp; truyền thông tín hiệu đo dƣới dạng quang; truyền thông không dây; truyền thông tín hiệu đo dƣới dạng số và truyền thông tín hiệu đo qua mạng máy tính. Mỗi một phƣơng thức truyền tín hiệu đo đều có những ƣu nhƣợc điểm về khả năng

Đầu ra các I/O Các máy tính

giám sát

PHÒNG ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM

CÁC TỦ

ĐIỀU KHIỂN

Tới các thiết bị hiện trƣờng Các đầu nối

truyền tín hiệu đo, khoảng cách và khả năng chống nhiễu. Do đó tùy từng trƣờng hợp cụ thể mà chúng ta lựa chọn phƣơng thức truyền thông tín hiệu đo cho phù hợp.

3.2.1Truyền thông tín hiệu đo dạng dòng điện

Khi truyền thông tín hiệu đo với khảng cách xa thay vì sử dụng tín hiệu điện áp ngƣời ta sẽ chuyển sang sử dụng tín hiệu dòng điện. Khi sử dụng tín hiệu dòng ta có thể giảm thiểu đƣợc sự ảnh hƣởng của trở kháng dây dẫn tín hiệu và cho phép truyền thông đƣợc tín hiệu đo ở khoảng cách xa hơn. Dải tín hiệu dòng điện thƣờng đƣợc sử dụng là từ 4mA đến 20mA. Để thực hiện việc chuyển từ tín hiệu đo dạng điện áp sang dòng điện ta sử dụng mạch chuyển đổi nhƣ sau (voltage to current converter, current loop interface):

Hình 3-3. Mạch chuyển đổi điện áp sang dòng điện từ 4 đến 20mA

trong đó sử dụng hai nguồn dòng đƣợc điều khiển bằng điện áp, một nguồn dòng cung cấp dòng điện ổn định 4mA và một nguồn còn lại cung cấp dòng điện thay đổi đƣợc trong phạm vi từ 0-16mA, dòng điện này thay đổi nhờ điện áp đƣa vào đầu vào của mạch. Khi đó dòng điện đầu ra sẽ thay đổi trong khoảng từ 4-20mA tƣơng ứng với độ lớn của tín hiệu áp đƣa vào đầu vào của mạch từ 0 đến giá trị điện áp cực đại, nếu dòng điện bằng 4mA thì tín hiệu đo tƣơng ứng bằng 0, nếu dòng điện bằng 20mA thì tín hiệu đo tƣơng ứng là lớn nhất, còn nếu dòng điện bằng 0 có nghĩa là mạch dẫn dòng điện đang bị hở mạch (đứt dây). Hình vẽ sau đây minh họa một mạch chuyển đổi từ áp 0- 5V sang dòng điện từ 4 -20mA trong thực tế.

x u - + + - 2(4 16 ) i  mA 4mA 4 20 ( ) x i  mA 1 i

`

Hình 3-4Mạch chuyển đổi điện áp 0-5V sang dòng điện từ 4-20mA trong thực tế Công thức quan hệ giữa dòng điện đầu ra và điện áp đầu vào đƣợc thiết lập trong trƣờng hợp ta chọn các giá trị điện trở thỏa mãn điều kiện là:

R R1





Tại phía nhận, tín hiệu đo dạng dòng điện từ 4-20mA sẽ đƣợc chuyển ngƣợc lại dạng điện áp để đƣa tới các thiết bị đo, hiển thị bằng mạch chuyển đổi dòng điện - điện áp

+ Ƣu điểm : truyền đi xa giảm trở kháng của dây dẫn tín hiệu + Nhƣợc điểm : - Nhiều điểm nối dây

- Không thể can thiệp sâu vào hệ thống

- Không cho phép các thiết bị của nhà sản xuất kết nối với nhau.

3.2.2 huẩn truyền thông RS232

Chuẩn truyền thông RS232 là chuẩn truyền thông rất phổ biến trong công nghiệp, ví truyền thông giữa thiết bị đo nhiệt độ và máy tính, cảm biến có nhiệm vụ gửi giá trị nhiệt độ đo đƣợc tới máy tính để hiển thị, lƣu giữ và tính toán thông qua chuẩn truyền thông RS232.

Hình 3-5Minh họa truyền thông giữ thiết bị đo nhiệt độ và máy tính hiển thị:1- thiết bị đo nhiệt độ có hỗ trợ truyền thông RS232, 2- cáp nối, 3- cổng giao tiếp RS232

Hình 3-6 Hình dáng và chức năng của giắc cắm RS232 đực (cột bên trái) và cái (cột bên phải)

RS232 hay còn gọi là EIA232 có hai loại zắc cắm đó là giắc cắm 9 chân và zắc cắm 25 chân, tuy nhiên dạng zắc cắm 9 chân thƣờng đƣợc sử dụng nhiều hơn. Để cắm đƣợc với nhau, ta phải có zắc cắm đực và zắc cắm cái. Hình 3- minh họa dạng zắc cắm 9 chân và chức năng của các chân, trong đó chức năng của một số chân